铸态AZ61镁合金铸锭均匀化处理及扩散传质研究

摘要

镁及镁合金具有比重轻,比强度、比刚度高,阻尼性、切削加工性及导热性好,电磁屏蔽能力强,易于回收等一系列优点,受到人们的极大关注,被誉为“21世纪的绿色工程结构材料”。但对于铸态镁合金来说,铸锭组织中不可避免的会产生组织和成分的不均匀性。这种不均匀性具体表现为:出现非平衡第二相和过多的过剩相,组成枝晶网状组织;合金元素在Mg中的溶解度超过平衡浓度,形成过饱和固溶体;Mg基固溶体成分不均匀,出现晶内偏析或枝晶偏析。这种铸造组织不仅降低铸锭的塑性,使随后的热加工变的困难,而且具有强烈的遗传性,使其制品的强度和塑性下降,各项异性和腐蚀敏感性增加。为了消除这种不均匀性,常采用均匀化处理改善铸锭质量。本文研究了不同热处理工艺下AZ61镁合金的显微组织变化,并得到了在各种工艺条件下材料的显微硬度值随时间和温度的关系曲线,对均匀化的两个重要参数温度和时间进行了详细的探讨,并尝试采用求显微硬度分布值方差大小的方法来判断热处理后合金的均匀化程度;二次枝晶臂之间的距离大小直接影响着铸件的力学性能,并影响着合金成分的微观偏析及第二相和显微缩松的分布,本文对枝晶间距在各热处理条件下的大小进行了测量,得出了枝晶间距在均匀化过程中的变化情况;并结合均匀化动力学对枝晶间距对均匀化的影响做了更为详细深入的研究。通过扫描电镜实验,定性研究了AZ61镁合金主要合金元素在合金中的分布规律,为了给后续的扩散传质和扩散数模研究提供依据;利用X射线衍射图谱获得合金在铸态和均匀化过程中物相的变化规律,同样也是一种判断镁合金第二相溶解及均匀化效果的有效手段。随着目前对金属材料的冶金质量控制逐渐向微观成分和组织控制发展,对枝晶偏析扩散均匀化传质过程的准确描述,就成了微观成分及组织控制的关键。本文为了更深入的阐述合金在均匀化过程中的扩散传质及枝晶偏析均匀化扩散过程,从菲克第二定律入手,对菲克定律的众多数学解进行了分析,并对其中的高斯解进行改进,以更加简单方便的描述和计算合金的均匀化进程,并利用该数学模型对论文中推荐的热处理工艺进行了论证。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 镁及镁资源

1.2 镁的性质与用途

1.3 镁合金的分类及合金元素

1.4 镁合金的发展历史及应用现状

1.5 MG—AL 系镁合金的应用及研究现状

1.5.1 Mg—Al 系镁合金的相结构及组成

1.5.2 Mg—Al 系镁合金的组织研究和应用现状

1.6 枝晶研究的发展现状

1.6.1 枝晶的形成

1.6.2 枝晶形貌的研究

1.6.3 枝晶生长理论的研究

1.6.4 枝晶偏析凝固数学模型研究的现状

1.6.5 枝晶研究需进一步探讨的方面

1.7 扩散传质理论研究

1.8 课题研究目的和意义

1.9 课题研究内容

2 实验过程及研究方法

2.1 实验材料及取样方法

2.2 制定均匀化热处理工艺

2.2.1 实验目的

2.2.2 实验步骤

2.2.3 实验设备

2.3 金相实验

2.3.1 实验目的

2.3.2 金相试样制备

2.3.3 腐蚀剂的配制

2.3.4 金相实验设备

2.4 显微硬度实验

2.4.1 实验目的

2.4.2 实验设备

2.5 测定枝晶间距

2.5.1 实验目的

2.5.2 实验步骤

2.6 扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDX)

2.6.1 实验目的

2.6.2 实验设备

2.7 X-射线衍射分析

2.7.1 实验目的

2.7.2 实验设备

2.7.3 实验条件

3 实验结果与分析

3.1 原始铸态组织观察

3.2 均匀化退火后组织

3.2.1 退火组织观察

3.2.2 热处理参数的讨论

3.3 显微硬度分析

3.3.1 硬度与均匀化时间的关系

3.3.2 硬度与均匀化温度的关系

3.3.3 硬度分布方差与均匀性

3.4 均匀化对枝晶间距的影响

3.4.1 枝晶间距的测量

3.4.2 均匀化动力学分析

3.5 扫描电镜及能谱实验结果与分析

3.5.1 合金铸态组织及元素分布

3.5.2 均匀化后合金组织及元素分布

3.6 X 射线实验结果与分析

3.6.1 铸态合金中的物相分析

3.6.2 均匀化后合金物相分析

4 枝晶偏析扩散均匀化数学模型

4.1 枝晶偏析均匀化初始条件的建立

4.1.1 液相无对流时树枝晶内的溶质分布

4.1.2 液相内有对流时树枝晶内的溶质分布

4.1.3 枝晶偏析扩散均匀化的初始条件

4.2 菲克定律的数学解

4.2.1 正弦解

4.2.2 高斯解

4.2.3 误差解

4.3 高斯均匀化动力学模型

4.4 高斯模型在铸态镁合金扩散均匀化中的应用

5 结论

致谢

参考文献

附录